CN111106232A - 一种电流传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种电流传感器芯片及其制备方法，包括：基底；设置于所述基底上的电流导体，所述电流导体通过连接电极与外部被测导体相连；设置于所述基底上的磁阻传感单元，所述磁阻传感单元对称设置于每一所述电流导体的两侧，所述磁阻传感单元通过输出电极输出检测信号。本发明在电流导体的两侧对称设置磁阻传感单元，利用磁阻传感单元作为磁场检测元件，由于传感器的传感部分以及电流导体均位于芯片内部，可以消除外界磁场的干扰，具有更高的稳定性，而且磁阻传感单元耗能低，可以降低传感器的功耗。同时本发明的传感器可以采用半导体工艺制备，不仅提高了产品的集成度，结构更紧凑，体积更小，也降低了生产成本，便于实现大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于电流感测技术领域，尤指涉及一种电流传感器芯片及其制备方法。
背景技术
当电流流过导体时会在空间中产生磁场，该磁场与电流的大小成正比，且磁场在导体周围呈圆周分布。通过探测电流所产生的磁场大小，可以检测得到被测电流的大小。传统的采用磁场检测式的电流传感器，由于无法区分环境中的干扰磁场，因此存在灵敏度低、性能不稳定等缺点。另外，随着智能电网、物联网技术的发展，对芯片级电流测量方案的需求越来越多，传统的电流传感器因集成度不高、体积大、制造一致性差，在应用上受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可避免磁场干扰、集成度高的电流传感器芯片及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种电流传感器芯片，包括：基底；设置于所述基底上的电流导体，所述电流导体通过连接电极与外部被测电流源相连；设置于所述基底上的磁阻传感单元，所述磁阻传感单元对称设置于所述电流导体的两侧,所述磁阻传感单元通过输出电极输出检测信号。
进一步的，所述电流导体包括偶数段相互平行的导体段，所述导体段之间首尾相连，且相邻的导体段之间的距离大于所述电流导体的宽度。
进一步的，所述磁阻传感单元包括钉扎层、自由层和非磁层，所述非磁层位于钉扎层和自由层之间；所述钉扎层的磁化方向垂直于芯片表面，所述自由层的磁化方向平行于芯片表面。
进一步的，所述磁阻传感单元和所述电流导体之间设置有绝缘层。
进一步的，所述磁阻传感单元为TMR单元或GMR单元。
前述电流传感器芯片的制备方法，步骤如下：
提供基底；
在所述基底上沉积磁阻传感单元；
在所述基底上沉积第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述磁阻传感单元及基底的外露表面；
在所述第一绝缘层上沉积电流导体；
在所述第一绝缘层上沉积第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述电流导体及第一绝缘层的外露表面；
在绝缘层上分别形成贯穿至所述电流导体上表面和所述磁阻传感单元上表面的通孔；
在所述通孔内沉积电极层，分别形成电流导体的连接电极以及磁阻传感单元的输出电极。
由以上技术方案可知，本发明利用电流导体在外围对称位置处的磁场在z轴方向上可以产生大小相同、方向相反的磁场分量的特性，在电流导体的两侧对称设置磁阻传感单元，利用磁阻传感单元作为磁场检测元件，根据被测电流产生的磁场强度来测定电流的大小，由于传感器的传感部分以及电流导体均位于芯片内部，可以消除外界磁场的干扰，具有更高的稳定性，而且磁阻传感单元耗能低，可以降低传感器的功耗。同时本发明的传感器可以采用半导体工艺制备，不仅提高了产品的集成度，结构更紧凑，体积更小，也降低了生产成本，便于实现大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例的结构示意图；
图1b为本发明实施例局部剖视图；
图2a为电流导体和磁阻传感单元的位置示意图；
图2b为电流导体中通入电流时其外围磁场的示意图；
图2c为电流导体中通入电流时其左侧的磁阻传感单元所在位置的磁场线示意图；
图2d为电流导体中通入电流时其右侧的磁阻传感单元所在位置的磁场线示意图；
图3为本发明实施例磁阻传感单元的结构示意图；
图4a和图4b分别为磁传感单元在不同方向的外加磁场中的变化及所引起的电阻变化的示意图；
图5a至图5g为本发明实施例制备过程的示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
如图1a和图1b所示，本实施例的电流传感器包括基底1、磁阻传感单元2及电流导体3，磁阻传感单元2和电流导体3均设置于基底1上，在磁阻传感单元2和电流导体3之间设置有绝缘层(未标号)。电流导体3可以是片状或导线的形式，电流导体3包括偶数段相互平行的导体段。本实施例的电流导体3连续延伸，在基底1上大体呈S形，电流导体3通过连接电极4和5与传感器外部的被测电流源相连，使被测电流可以被传导至传感器内部的电流导体3上。优选的，相邻的导体段之间的距离大于电流导体3的宽度，以避免相邻电流导体之间相互干扰。在基底1上设置往复多次的电流导体，可以提高磁阻传感部分的密度，以及增加信噪比，实现更高的传感部分的集成度。在其他实施例中，导体段也可以是相互独立的，通过导线或其他导电结构首尾相连形成并联连接。当基底1上只设置一段直线形的电流导体时，位于电流导体两侧的两个磁阻传感单元可以形成半桥输出。
在电流导体3(宽度方向上)两侧的对称设置有磁阻传感单元2。如图2b所示，当电流在电流导体3中传导时，电流在电流导体3外围会产生磁场，磁场方向如箭头所示方向。电流导体3两侧的磁场矢量可分解为两个分量，一个分量沿x轴方向(平行于芯片表面的方向)，另一个分量沿z轴方向(垂直于芯片表面的方向)。如图2c和图2d所示，在电流导体3两侧对称位置处(两个磁阻传感单元2所在位置)的磁场在z轴方向上的分量大小相同，方向相反。
磁阻传感单元2用于检测电流导体3中电流所产生的磁场。磁阻传感单元2可以是TMR单元或GMR单元等磁阻传感器。如图3所示，磁阻传感单元2主要包括钉扎层2-1、自由层2-2和非磁层2-3，非磁层2-3位于钉扎层2-1和自由层2-2之间。磁阻传感单元2的传感方向由钉扎层2-1的磁化方向2-1a和自由层2-2的磁化方向2-2a确定。磁阻传感单元2中钉扎层2-1的磁化方向2-1a沿z轴方向，且不随外加磁场的变化而变化；自由层2-2的自发磁化方向2-2a沿x轴方向，当外部磁场沿z轴方向变化时，自由层2-2的磁化方向2-2a会发生线性变换，从而磁阻传感单元2对z轴方向的磁场敏感，可以探测z轴方向上磁场的大小。
如图4a所示，当外加磁场100方向沿z轴负方向时的变化情况，自由层的磁化方向2-2a随着外磁场的变化，沿图4a中箭头101所示方向逐渐旋转至与钉扎层的磁化方向2-1a相平行，磁阻传感单元的电阻逐渐减小，电阻变化如曲线a所示。如图4b所示，当外加磁场100方向沿z轴正方向时，自由层的磁化方向2-2a随着外磁场的变化方向沿图4b中箭头101所示方向旋转，磁阻传感单元的电阻变化如曲线b所示。由于电流导体两侧的磁场在z轴方向上具有方向相反的分量，因此，电流导体两侧的磁阻传感单元会产生相反的磁阻响应情况。
将磁阻传感单元2通过输入电极和输出电极(6、7、8、9)形成桥式连接，实现差分输出。例如，将基底1上的磁阻传感单元2分成4组，电流导体中通过电流时，四组磁阻传感单元可以形成推拉式全桥差分输出。
下面结合图5a至图5g对本发明一具体实施例的制备过程作进一步的说明：
如图5a所示，提供一基底1，基底1的表面平坦，可以是硅片或玻璃等，具有良好的绝缘性能，电阻率在10MΩcm以上，将基底1进行清洗、干燥等预处理；
如图5b所示，在基底1上采用磁控溅射、真空蒸镀或者电镀等工艺沉积磁阻传感单元2；
如图5c所示，在基底1上采用磁控溅射或者离子束蒸发等工艺沉积第一绝缘层4，第一绝缘层4覆盖磁阻传感单元2及基底1的外露表面，将第一绝缘层4采用抛光工艺加工平整；
如图5d所示，在第一绝缘层4上采用真空蒸镀法沉积电流导体3；
如图5e所示，在第一绝缘层4上沉积第二绝缘层5，第二绝缘层5覆盖电流导体3及第一绝缘层4的外露表面；第一、第二绝缘层均可用Al2O3、SiO2等材料制成；第二绝缘层5作为保护层，可以起到隔绝水汽、氧气的作用；
如图5f所示，采用干法刻蚀法在绝缘层上分别形成贯穿至电流导体3上表面和磁阻传感单元2上表面的通孔Q；
如图5g所示，采用真空蒸镀法在通孔Q内沉积电极层6，以分别形成电流导体3的连接电极以及磁阻传感单元2的输出电极。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (6)
1.一种电流传感器芯片，其特征在于，包括：
基底；
设置于所述基底上的电流导体，所述电流导体通过连接电极与外部被测电流源相连；
设置于所述基底上的磁阻传感单元，所述磁阻传感单元对称设置于所述电流导体的两侧，所述磁阻传感单元通过输出电极输出检测信号。
2.如权利要求1所述的电流传感器芯片，其特征在于：所述电流导体包括偶数段相互平行的导体段，所述导体段之间首尾相连，且相邻的导体段之间的距离大于所述电流导体的宽度。
3.如权利要求1或2所述的电流传感器芯片，其特征在于：所述磁阻传感单元包括钉扎层、自由层和非磁层，所述非磁层位于钉扎层和自由层之间；所述钉扎层的磁化方向垂直于芯片表面，所述自由层的磁化方向平行于芯片表面。
4.如权利要求1所述的电流传感器芯片，其特征在于：所述磁阻传感单元和所述电流导体之间设置有绝缘层。
5.如权利要求1所述的电流传感器芯片，其特征在于：所述磁阻传感单元为TMR单元或GMR单元。
6.如权利要求1至5任一项所述的电流传感器芯片的制备方法，其特征在于，步骤如下：
提供基底；
在所述基底上沉积磁阻传感单元；
在所述基底上沉积第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述磁阻传感单元及基底的外露表面；
在所述第一绝缘层上沉积电流导体；
在所述第一绝缘层上沉积第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述电流导体及第一绝缘层的外露表面；
在绝缘层上分别形成贯穿至所述电流导体上表面和所述磁阻传感单元上表面的通孔；
在所述通孔内沉积电极层，分别形成电流导体的连接电极以及磁阻传感单元的输出电极。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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